samedi 30 novembre 2012

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1 DM5 samedi 30 novembre 2012 Probleme 1 : Données : Le document réponse (figure I, diagramme d Ellingham des oxydes rapporté à une mole de dioxygène) est à rendre avec la copie. constante des gaz parfaits : R = 8,31J.mol -1.K -1 T(K) = T( C)+273 Composition molaire approchée de l air : O 2 (20%), N 2 (80%) f H enthalpie standard de formation du corps pur et S m entropie molaire standard du corps pur à 25 C : Cu(s) CuO(s) O2 (g) S m (J.mol-1.K-1) 33,2 42,6 205 f H (kj.mol-1) -157,3 Tfusion ( C) ) Rappeler ce qu est un diagramme d Ellingham. Quelle est l approximation faite dans ce diagramme? 2) En raisonnant sur leur pente, attribuer aux segments de droite 1, 2, 3 de la figure I les couples suivants : CO(g)/C(s) ; CO2(g)/C(s) ; CO2(g)/CO(g). 3) Etablir le diagramme d Ellingham du carbone et ses oxydes en ne gardant que les segments de droite ayant physiquement un sens. Surligner ces segments de droite sur la figure I. Dans chacun des trois domaines du plan ainsi délimités, quelle est l espèce majoritaire ou existante? 4) Tracer sur la figure I, le diagramme d Ellingham du couple CuO(s)/Cu(s) dans l intervalle de température [300K-1300K]. 6) Montrer qu à température ambiante (20 C) sous 1 bar, le cuivre s oxyde à l air. 7) Parfois, en chauffant, à partir d une certaine température, la couche d oxyde disparaît. Expliquer pourquoi. Est-ce le cas pour le cuivre dans l intervalle de température considéré soit, [300K-1300K]? 8) Le cuivre semble être le premier métal qui ait été produit à partir de son minerai, vraisemblablement dès le sixième millénaire avant JC au Moyen-Orient. a) Déterminer en fonction de la valeur de la température atteinte, les produits obtenus lorsqu on chauffe de l oxyde de cuivre(ii), CuO en présence de carbone. b) Que se passe-t-il si on refroidit jusqu à 500K les produits obtenus dans les conditions précédentes? C. Saury PC Page 1 sur 7

2 Problème 2 : Autour du chrome A en solution aqueuse est noté A ou A(aq), A en phase solide est noté A(s) et A en phase gazeuse est noté A(g). Constantes : Les gaz sont assimilés à des gaz parfaits ; constante des gaz parfaits R = 8,314 J.K 1.mol 1. (RTln10)/F = 0,06 à 298 K. Températures de fusion et d ébullition de quelques corps purs sous P = 1 bar : Corps pur Tempérautre de fusion en K Température d ébullition en K Aluminium Al Alumine Al 2 O Chrome Cr Oxyde de chrome (III) Cr 2 O Données thermodynamiques : H 2(g) O 2(g) H 2 O (g) Al (s) Al 2 O 3(s) Cr (s) Cr 2 O 3(s) f H en kj.mol S en J. K 1.mol fus H en kj.mol Les enthalpies standard de formation f H et les entropies standard S sont supposées indépendantes de la température. fus H désigne l enthalpie standard de fusion du corps considéré, elle est également supposée indépendante de la température. Données en solution aqueuse à 25 C. Oxydo-réduction : Couple Potentiel standard à 25 C en V Cr 2 O 2 7 aq)/cr 3+ (aq) 1,33 Fe 3+ (aq)/fe 2+ (aq) 0,77 CH 3 COOH/CH 3 CH 2 OH 0,037 Constantes de réaction : Produit de solubilité à 25 C : Cr(OH) 3(s) : K s = 10 1 Constante d équilibre thermodynamique de la réaction : Cr 3+ (aq) + 4OH aq) = Cr(OH) 4 aq) 4 = 10 30,6 Constante d acidité : K a (CH 3 COOH (aq) /CH 3 COO aq)) = 10 4,5 Produit ionique de l eau : K e = 10 4 Conductivités ioniques équivalentes molaires standard : (H + ) = 350 S.cm 2.mol ; (OH ) = 199 S.cm 2.mol 1 (H + ) et (OH ) sont toutes les deux très supérieures à la conductivité molaire de tous les autres ions, ces dernières étant supposées identiques. C. Saury PC Page 2 sur 7

3 Élaboration du métal Chrome Dans cette partie seront abordés des thèmes d architecture de la matière et de thermodynamique. Les différentes questions sont indépendantes. 1- Réduction de l oxyde de chrome par le dihydrogène 1 L hydrogène, l oxygène et le chrome se trouvent à l état naturel majoritairement sous les 1 formes 1H, 16 18O et 52 24Cr. a) Quelle est la composition du noyau de l atome de chrome? b) Écrire les configurations électroniques de H, O et Cr. c) Combien l oxygène possède-t-il : - d électrons de valence? - d électrons célibataires? d) D après sa configuration électronique, quelle est sa place dans la classification périodique? e) Proposer une structure de Lewis pour les molécules de dihydrogène, de dioxygène et d eau. 2 Le premier réducteur utilisé pour réduire l oxyde de chrome (III) Cr 2 O 3 en chrome métallique fut le dihydrogène qui est alors oxydé en vapeur d eau. a) Écrire l équation de la réaction de réduction d une mole de Cr 2 O 3 solide en chrome métallique solide par H 2 gazeux à 1300 K. b) Calculer l enthalpie standard, l entropie standard et l enthalpie libre standard de cette réaction à 1300 K. Ne pas oublier les unités. c) La réaction est-elle exothermique ou endothermique? Justifier. d) Préciser l influence de la température sur cet équilibre. Justifier. e) Exprimer et calculer la constante associée à cet équilibre à 1300 K. Conclure. 3 Dans un récipient de volume V = 10 L, initialement vide, on introduit 0,1 mol de dihydrogène gazeux et 5, mol de Cr 2 O 3 (s). Le récipient est porté à 1407 K. La constante K de la réaction est alors égale à a) La valeur proposée pour la constante est-elle en accord avec vos résultats précédents? b) Calculer, à l équilibre, les pressions partielles de dihydrogène restant et de vapeur d eau formée. c) Déterminer la quantité de chrome formé. d) Quelle doit être la température minimale du système pour observer la réduction totale de mol de Cr 2 O 3 (s) en chrome métallique en présence de 0,1 mol de dihydrogène? 2- Réduction par l Aluminium Le réducteur actuellement utilisé est l aluminium. Le diagramme d'ellingham des systèmes Cr 2 O 3 / Cr et Al 2 O 3 / Al est fourni en annexe, à rendre avec la copie. Ce diagramme représente l enthalpie libre standard de formation des oxydes pour une mole de dioxygène en fonction de la température. C. Saury PC Page 3 sur 7

4 4 Écrire les équations donnant la réaction de formation de chaque oxyde avec la convention cidessus, sans indiquer les états physiques des espèces intervenant. 5 Compléter ce diagramme en indiquant pour chaque graphe le couple correspondant, sachant que l aluminium est meilleur réducteur que le chrome. 6 Aux points A, B et C, on observe un faible changement de pente. a) Préciser les transformations physiques qui expliquent ces changements de pente. b) Justifier qualitativement ce changement de pente (augmentation ou diminution). c) Calculer à partir des données la valeur de la pente du segment DB puis celle du segment BC. 7 On précise qu à l état solide ou liquide, les espèces Al, Al 2 O 3, Cr et Cr 2 O 3 sont totalement non miscibles. Écrire l équation de la réaction de réduction d une mole de Cr 2 O 3 par Al à 1300 K. Préciser s il s agit d un équilibre chimique ou d une réaction totale. Justifier. Les ions du chrome en solution aqueuse : partie facultative Il s agit ici de déterminer le titre alcoolique d un vin. Lors de cette étude différents thèmes de la chimie des solutions seront abordés : acidobasicité, précipitation, oxydoréduction, conductimétrie. Là encore les différentes questions sont largement indépendantes. Les différentes espèces du chrome prises en compte seront: Cr 3+, Cr(OH) 3(s), Cr(OH) 4, CrO 4 2, Cr 2 O 7 2. Toutes les réactions ont lieu à 25 C. Les données nécessaires sont regroupées en début d épreuve. 3- L ion dichromate: un oxvdant puissant 8 Cr(OH) 3(s) est un hydroxyde amphotère. Cela signifie qu en présence d ions OH, Cr 3+ précipite puis se redissout en formant l ion tétrahydroxochromate (III) Cr(OH) 4 lorsque le ph de la solution est suffisant. À l aide des données, a) Déterminer le ph de précipitation de l hydroxyde de chrome pour une solution d ions Cr 3+ à une concentration 0,1 mol.l 1. b) Écrire la réaction de dissolution de l hydroxyde de chrome en milieu basique. Calculer sa constante. c) Déterminer le ph de redissolution de l hydroxyde de chrome. d) Préciser sur un diagramme les domaines d existence et de prédominance des différentes espèces en fonction du ph. 9 Le diagramme potentiel ph simplifié du fer est donné en annexe. Il a été tracé pour une concentration en fer dissous égale à 0,1 mol.l 1. Les espèces du fer prises en compte sont les suivantes: Fe(s), Fe 2+, Fe 3+, Fe(OH) 2(s), Fe(OH) 3(s). a) Déterminer le degré d oxydation du fer dans chacune de ces espèces. b) Compléter le diagramme potentiel ph en y plaçant les différentes espèces. Justifier. C. Saury PC Page 4 sur 7

5 10 On étudie l action du dichromate Cr 2 O 7 2 sur Fe 2+. On souhaite éviter la formation de tout précipité. a) Vers quel ph doit-on se placer? b) Écrire l équation bilan de la réaction. c) Expliciter la loi de Nernst pour chaque couple. d) Établir l expression de la constante de la réaction en fonction des potentiels standard de chacun des deux couples. Calculer sa valeur et conclure. 11 On étudie maintenant l action du dichromate sur l éthanol CH 3 CH 2 OH à ph < 4. À l aide des données, a) Préciser sur un diagramme les domaines de prédominance de CH 3 COOH et CH 3 COO en fonction du ph. En déduire le produit de l oxydation de l éthanol par le dichromate. b) Écrire l équation bilan de la réaction d oxydoréduction. c) Calculer sa constante et conclure. (aucune démonstration n est exigée) d) Pourquoi se place-t-on à ph < 4? 4- Dosage conductimétrique de la solution d ions dichromate Afin de vérifier sa concentration, la solution de dichromate de potassium qui a été utilisée dans le dosage de l éthanol du vin est dosée par de la soude. Le dosage est suivi par conductimétrie. L ion dichromate réagit avec les ions hydroxydes selon la réaction quantitative suivante : Cr 2 O OH = 2 CrO H 2 O K = 10 13,6 On dose V 0 = 100 ml de la solution de dichromate de potassium (2K + + Cr 2 O 7 2 ) de concentration C 1, à déterminer, par de la soude (Na + + OH ) de concentration C = 1,00 mol.l 1. Le dosage est suivi par conductimétrie. On note v le volume de soude ajouté et G la conductance de la solution. L allure de la courbe obtenue est présentée ci-dessous. 12 Expliquer succinctement le principe de la conductimétrie. Quel est le matériel utilisé? 13 Expliquer qualitativement l allure de la courbe. 14 Quelle relation a-t-on à l équivalence entre c, c 1, V 1 et le volume V de soude versé? Déterminer c a) Le dosage précédent pouvait-il être suivi par ph-métrie? Pourquoi? b) Si oui, quelle aurait alors été l allure de la courbe? c) Quelle valeur maximale pourrait atteindre en théorie le ph de la solution lors de ce dosage? Justifier. C. Saury PC Page 5 sur 7

6 C. Saury PC Page 6 sur 7

7 C. Saury PC Page 7 sur 7